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二氧化鈦

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二氧化鈦是一種無機物,化學式為TiO2,白色固體或粉末狀的兩性氧化物,分子量79.9,具有無毒、最佳的不透明性、最佳白度和光亮度,被認為是現今世界上性能最好的一種白色顏料。鈦白的粘附力強,不易起化學變化,永遠是雪白的。廣泛應用於塗料、塑料、造紙、印刷油墨、化纖、橡膠、化妝品等工業。它的熔點很高,也被用來製造耐火玻璃,釉料,琺琅、陶土、耐高温的實驗器皿等。
同時,二氧化鈦有較好的紫外線掩蔽作用,常作為防曬劑摻入紡織纖維中,超細的二氧化鈦粉末也被加入進防曬霜膏中製成防曬化妝品。
二氧化鈦可由金紅石用酸分解提取或由四氯化鈦分解得到。二氧化鈦性質穩定,大量用作油漆中的白色顏料,它具有良好的遮蓋能力,和鉛白相似,但不像鉛白會變黑;它又具有鋅白一樣的持久性。二氧化鈦還用作搪瓷的消光劑,可以產生一種很光亮的、硬而耐酸的搪瓷釉罩面。
二氧化鈦一般分鋭鈦礦型(Anatase,簡稱A型)和金紅石型(Rutile,簡稱R型)。
中文名
二氧化鈦
外文名
Titanium Dioxide
別    名
鈦白粉,鈦糖,鈦白
化學式
TiO2
分子量
79.9
CAS登錄號
13463-67-7
EINECS登錄號
236-675-5
熔    點
1840 ℃
沸    點
2900 ℃
水溶性
溶於熱濃硫酸、鹽酸、硝酸
密    度
4.26 g/cm³
外    觀
白色無定形粉末
安全性描述
S2;S25;S26;S36/S37
危險性符號
R10;R20/21/22;R36/37/38
危險性描述
Xn
主要晶型
金紅石型、鋭鈦型
折射率
2.76~2.55
莫氏硬度
6-7、5.5-6
電容率
114~31nF
線膨脹係數
25/℃
熱導率
1.809~10.3
吸油度
16~48、18~30
性    能
半導體

二氧化鈦製備方法

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氣相氧化法
用乾燥的氧氣在923K-1023K進行氣相氧化:
TiCl4+O2=TiO2+2Cl2
硫酸法
首先用磨細的鈦鐵礦和硫酸(濃度≥80%,温度343K-353K)在不斷通入空氣並且攪拌的條件下反應,製得可溶性硫酸鹽:
FeTiO3+H2SO4=TiOSO4+FeSO4+2H2O
由於這一反應是放熱的,反應劇烈時温度可達473K。
製取二氧化鈦時,關鍵點一步是使鈦液水解:
TiOSO4+2H2O=TiO2·H2O↓+H2SO4
鈦液的濃度、酸度‘温度都會影響水解反應的進行,濃度越小,酸度越小,温度越高,反應越容易發生。為了升高温度,反應常常在加壓的情況下進行,這樣也可以使沉澱顆粒比較緊密,讓產品有更好的物理性能。
製取二氧化鈦時鈦含量的測定
測定時首先往鈦液中加鋁片,把Ti(IV)還原為Ti3+,Ti3+的還原能力比Sn2+強,它可以還原Fe3+。因此測定時用KSCN做指示劑,用標準Fe3+溶液滴定Ti3+的含量。滴定時,Fe3+離子稍微一過量,就生成血紅色[FeSCN]2+,此時到達滴定終點。 [1] 

二氧化鈦應用領域

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二氧化鈦工業應用

二氧化鈦是一種重要的白色顏料和瓷器釉料。用於油漆、油墨、塑料、橡膠、造紙、化纖、水彩顏料等行業。
用途 用途
二氧化鈦是世界上最白的東西,1克二氧化鈦可以把450多平方釐米的面積塗得雪白。它比常用的白顏料——鋅鋇白還要白5倍,因此是調製白油漆的最好顏料。世界上用作顏料的二氧化鈦,一年多到幾十萬噸。二氧化鈦可以加在紙裏,使紙變白並且不透明,效果比其他物質大10倍,因此,鈔票紙和美術品用紙就要加二氧化鈦。
為了使塑料的顏色變淺,使人造絲光澤柔和,有時也要添加二氧化鈦。
在橡膠工業上,二氧化鈦還被用作為白色橡膠的填料。
半導體二氧化鈦的光化學性能已使其可用於許多領域,如空氣、水和流體的淨化。以碳或其他雜原子摻雜的光催化劑也可用於具有散射光源的密封空間或區域。用於建築、人行石板、混凝土牆或屋頂瓦上的塗料中時,它們可以明顯增加對空氣中污染物如氮氧化物、芳烴和醛類的分解。
此外還廣泛應用於生產防曬霜,無毒性,對人體無害。
超細二氧化鈦具有優異紫外光屏蔽性和透明性。被廣泛用在化妝品、木器保護、食品包裝塑料、耐久性家用薄膜、人造纖維和天然纖維、透明塗料中。在金屬閃光塗料中的特殊光學效應,使之在高級轎車漆中得到重視和應用。

二氧化鈦食品應用

美國食品藥品管理局規定二氧化鈦可以作為所有的食品白色素,最大的使用量為1g/kg Sec. 73.575二氧化鈦。色素添加劑二氧化鈦可以安全用於一般着色食品中,服從下列規定:
(1) 二氧化鈦的數量不超過食物重量的1%。
(2) 按照法令的401條所公佈的特殊標準,不得使用的着色食品,除非有類似的標準允許添加色素。
(3)對於着色食品,食用的色素添加劑二氧化鈦可以含有適當的稀釋劑,作為安全的色素添加劑,如下:二氧化硅,作為分散助劑,含量不超過2%。
產品適應:涼果類、果凍、油炸食品、可可製品、巧克力、巧克力製品、硬製糖果、拋光糖果、膠基糖果、膨化食品、糖果巧克力製品包衣、蛋黃醬、沙拉醬、果醬、固體飲料、魔芋凝膠食品等。

二氧化鈦環境保護

淨化空氣
二氧化鈦,作為光塗料顏料的催化劑,不僅是一種環境安全的清潔劑,而且可以起到節省能量還有保護環境資源的作用。
早期日本和英國的科學家將二氧化鈦塗覆在城市馬路的鋪路石表面,用以清洗路面空氣。二氧化鈦可以與瀝青混合,減少空氣中的污染物。當汽車經過時,含二氧化鈦的混凝土或瀝青可以淨化空氣,消除車輛排放物中25%到45%的氮氧化物。將二氧化鈦塗覆在混凝土面上,其清洗空氣的效果同樣顯著。
給地球降温
圖為電子顯微鏡下的二氧化鈦 圖為電子顯微鏡下的二氧化鈦
2012年5月,英國科學家提出了一個大膽設想,他們認為可通過向平流層噴灑足夠的二氧化鈦來反射太陽光,從而達到為地球降温的目的,這麼做能夠有效抵消因全球變暖而導致的各種不利氣候因素。
由於二氧化鈦能夠有效反射太陽光的直射,並且其性質穩定,具有良好的遮蓋能力,如若噴灑在平流層能夠長期發揮作用。英國科學家提出,可利用高空氣球將這一化學物質帶入到平流層,然後進行釋放,一旦二氧化鈦均勻分佈在地球平流層之後,能夠有效反射太陽光,從而為地球降温。
英國諮詢公司戴維森科技的總裁、化學工程學家彼得·戴維森是這個項目的負責人,他介紹稱,只需要往地球平流層運送300萬噸的二氧化鈦,就能夠在地球平流層形成一層厚度為1毫米的保護層,而它能夠起到的作用卻是巨大的-足夠抵消兩倍當前大氣中二氧化碳含量所導致的温室效應。

二氧化鈦防曬化妝品

由於紫外線對人體有很大的危害性,發達國家近些年來比較重視防曬產品的研究、開發,相繼推出了多種多樣的抗紫外纖維、塑料、薄膜、塗料,以及防曬膏霜、粉底、口紅、摩絲、焗油膏等防曬化妝品。我國近年來也加大了防曬化裝品的研究和生產。
但以往防曬劑多為二苯甲酮類、鄰氨基苯甲酮類、水楊酸酯類、對氨基苯甲酸類、肉桂酸酯類等有機化合物,因而不穩定、壽命短,並且副作用較大,具有一定的毒性和刺激性,如果添加過量,會產生化學性過敏,甚至可能導致皮膚癌。而納米二氧化鈦為無機成分,具有優異的化學穩定性、熱穩定性及非遷移性和較強的消色力、遮蓋力,較低的腐蝕性,良好的易分散性,並且無毒、無味、無刺激性,使用安全,還兼有殺菌除臭的作用。更為重要的是,如前所述,納米二氧化鈦既能吸收紫外線,又能發射、散射紫外線,因此抗紫外線的能力強,與同樣劑量的有機抗紫外劑相比,它在紫外區的吸收峯更高;而且納米二氧化鈦對中波區和長波區紫外線均有阻隔作用,不象有機抗紫外劑只是單一對中波區或長波區紫外線有屏蔽作用。特別是由於其顆粒較細,製成品透明度高,能透過可見光,加入化妝品使用時皮膚白度自然,克服了有的有機物或顏料級二氧化鈦不透明,使皮膚呈現不自然的蒼白色的缺點。正因為如此,納米二氧化鈦很快被廣泛重視並逐步取代一些有機抗紫外劑,成為當今防曬化妝品中性能優越一種物理屏蔽型抗紫外劑。
隨着人們生活水平的提高和國際競爭的加劇,安全、高效防曬型化妝品的研究、開發力度將逐步加大。現今,發達國家的防曬型化妝品市場已顯現出強大的生命力。1999-2000年,美國的年銷售額已分別達7.37、7.65億美元,英國達2.45、2.70億美元,而且近年來分別以20%、10%以上的速度增長,其中納米二氧化鈦的用量也逐年大幅度增長。日本抗紫外化妝品中納米二氧化鈦的年需求量在1000t以上,紡織、塑料、橡膠製品中的用量更大。
從防曬化妝品的發展趨勢來看,一是無機防曬劑代替有機防曬劑,二是仿生防曬。後者成本較大,現今難以推廣,前者價格適中,且防曬性能優越,因而被普遍看好。尤其是納米二氧化鈦,由於具有較為優越的性能和應用前景,因而發展勢頭和市場潛力較好。 [1] 

二氧化鈦計算化學數據

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1、疏水參數計算參考值(XlogP):無
2、氫鍵供體數量:0
3、氫鍵受體數量:2
4、可旋轉化學鍵數量:0
5、互變異構體數量:無
6、拓撲分子極性表面積:34.1
7、重原子數量:3
8、表面電荷:0
9、複雜度:18.3
10、同位素原子數量:0
11、確定原子立構中心數量:0
12、不確定原子立構中心數量:0
13、確定化學鍵立構中心數量:0
14、不確定化學鍵立構中心數量:0
15、共價鍵單元數量:1 [1] 

二氧化鈦安全信息

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危險運輸編碼:UN 1307 3/PG 3
危險品標誌:有害
安全標識:S2;S25;S26;S36/S37
危險標識:R10;R20/21/22;R36/37/38

二氧化鈦風險術語

R10:Flammable.
易燃的。
R20/21/22:Harmful by inhalation,in contact with skin and if swallowed.
吸入、皮膚接觸及吞食有害。
R36/37/38:Irritating to eyes,respiratory system and skin.
刺激眼睛、呼吸系統和皮膚。

二氧化鈦安全術語

S2:Keep out of reach of children.
避免兒童觸及。
S25:Avoid contact with eyes.
避免眼睛接觸
S26:In case of contact with eyes, rinse immediately with plenty of water and seek medical advice.
不慎與眼睛接觸後,請立即用大量清水沖洗並徵求醫生意見。
S36/37:Wear suitable protective clothing and gloves.
穿戴適當的防護服和手套。

二氧化鈦物理性質

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相對密度:在常用的白色顏料中,二氧化鈦的相對密度最小,同等質量的白色顏料中,二氧化鈦的表面積最大,顏料體積最高。
顏料名稱
密度/(g/cm³)
鋭鈦型二氧化鈦
3.8~3.9
金紅石型二氧化鈦
4.2~4.3
板鈦型二氧化鈦
4.12~4.23
介電常數:由於二氧化鈦的介電常數較高,因此具有優良的電學性能。在測定二氧化鈦的某些物理性質時,要考慮二氧化鈦晶體的結晶方向。例如,金紅石型的介電常數,隨晶體的方向不同而不同,當與C軸相平行時,測得的介電常數為180,與此軸呈直角時為90,其粉末平均值為114。鋭鈦礦型二氧化鈦的介電常數比較低只有48。
電導率:二氧化鈦具有半導體的性能,它的電導率隨温度的上升而迅速增加,而且對缺氧也非常敏感。例如,金紅石型二氧化鈦在20℃時還是電絕緣體,但加熱到420℃時,它的電導率增加了107倍。稍微減少氧含量,對它的電導率會有特殊的影響,按化學組成的二氧化鈦(TiO2)電導率<10-10s/cm,而TiO1.9995的電導率則高達10-1s/cm。金紅石型二氧化鈦的介電常數和半導體性質對電子工業非常重要,該工業領域利用上述特性,生產陶瓷電容器等電子元器件。
金紅石晶體結構 金紅石晶體結構
硬度:按莫氏硬度10分制標度,金紅石型二氧化鈦為6~6.5,鋭鈦礦型二氧化鈦為5.5~6.0,因此在化纖消光中為避免磨損噴絲孔而採用鋭鈦型。
熔點沸點:由於鋭鈦礦型和板鈦型二氧化鈦在高温下都會轉變成金紅石型,因此板鈦型和鋭鈦礦型二氧化鈦的熔點和沸點實際上是不存在的。只有金紅石型二氧化鈦有熔點和沸點,金紅石型二氧化鈦的熔點為1850℃、空氣中的熔點 (1830±15)℃、富氧中的熔點1879℃,熔點與二氧化鈦的純度有關。金紅石型二氧化鈦的沸點為 (3200±300)K,在此高温下二氧化鈦稍有揮發性。
二氧化鈦雖有親水性,但吸濕性不太強,金紅石型與鋭鈦型相比較小。
二氧化鈦的吸濕性與其表面積的大小有一定關係,表面積大,吸濕性高。
二氧化鈦的吸濕性也與表面處理及性質有關。
二氧化鈦屬於熱穩定性好的物質,一般用量為0.01%~0.12%。
物理結構:金紅石型、鋭鈦礦型;結晶系、四方晶系
晶格常數:A軸0.458,c軸0.795,A軸0.378,c軸0.949
a軸:7.19X10-6 2.88~10-6
c軸:9.94X10-6 6.44~10-6

二氧化鈦化學性質

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與熔融的碳酸鋇生成偏鈦酸鋇(加入氯化鋇碳酸鈉做助溶劑):
TiO2+BaCO3=BaTiO3+CO2
不溶於水或者稀硫酸,但是可以溶於熱濃硫酸或熔融的硫酸氫鉀
TiO2+H2SO4=TiOSO4+H2O
二氧化鈦溶於熱濃硫酸所得溶液雖然是酸性的,但加熱煮沸也能發生水解,得到不溶於酸、鹼的水合二氧化鈦(β型鈦酸)。若加鹼於新制備的鈦鹽酸性溶液,得到新鮮的水合二氧化鈦(α型鈦酸),其反應活性大於β型鈦酸,可以溶於稀酸及濃鹼。溶於濃氫氧化鈉溶液後,從溶液中可以析出化學式為Na2TiO3·H2O的水合鈦酸鹽。
二氧化鈦與炭粉壓制成團並經過焦化,加熱到1070-1170K,可以製取氣態的四氯化鈦
TiO2+2Cl2+2C=TiCl4↑+2CO↑
這一反應對於提煉鈦很重要,可以簡便的還原四氯化鈦
二氧化鈦與COCl2光氣)、SOCl2(二氯亞碸)、CHCl3三氯甲烷)、CCl4四氯化碳)等氯化試劑的反應也可以用於製取四氯化鈦:
TiO2+CCl4=TiCl4↑+2CO2↑(該反應770K下完成) [2] 

二氧化鈦表面性質

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1、表面超親水性
研究認為在光照條件下,TiO2表面的超親水性起因於其表面結構的變化。在紫外光照射下,TiO2價帶電子被激發到導帶,電子和空穴向TiO2表面遷移,在表面生成電子空穴對,電子與Ti反應,空穴則與表面橋氧離子反應,分別形成正三價的鈦離子和氧空位。此時,空氣中的水解離吸附在氧空位中,成為化學吸附水,化學吸附水可進一步吸附空氣中的水分,形成物理吸附層。
2、表面羥基
相對於其它半導體半金屬材料的金屬氧化物,TiO2中Ti-O鍵的極性較大,表面吸附的水因極化發生解離,容易形成羥基。這種表面羥基可提高TiO2作為吸附劑及各種單體的性能,為表面改性提供方便。
3、表面酸鹼性
TiO2在改性時常加入Al、Si、Zn等氧化物,Al或Si的氧化物單獨存在時無明顯的酸鹼性,但與TiO2複合,則呈現強酸鹼性,可以製備固體超酸。
4、表面電性
TiO2顆粒在液態(尤其是極性的)介質中因表面帶有電荷就會吸附相反的電荷而形成擴散雙電層,使顆粒有效直徑增加,當顆粒彼此接近時,因各具同性電荷而相斥,有利於分散體系的穩定。如經Al2O3包膜的TiO2表面具有正電荷,而用SiO2處理的TiO2帶負電荷。

二氧化鈦防曬機理

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按照波長的不同,紫外線分為短波區190~280nm、中波區280~320nm、長波區320~400nm。短波區紫外線能量最高,但在經過離臭氧層時被阻擋,因此,對人體傷害的一般是中波區和長波區紫外線。
二氧化鈦的強抗紫外線能力是由於其具有高折光性和高光活性。其抗紫外線能力及其機理與其粒徑有關:當粒徑較大時,對紫外線的阻隔是以反射、散射為主,且對中波區和長波區紫外線均有效。防曬機理是簡單的遮蓋,屬一般的物理防曬,防曬能力較弱;隨着粒徑的減小,光線能透過二氧化鈦的粒子面,對長波區紫外線的反射、散射性不明顯,而對中波區紫外線的吸收性明顯增強。其防曬機理是吸收紫外線,主要吸收中波區紫外線。由此可見,二氧化鈦對不同波長紫外線的防曬機理不一樣,對長波區紫外線的阻隔以散射為主,對中波區紫外線的阻隔以吸收為主。
納米級二氧化鈦由於粒徑小,活性大,既能反射、散射紫外線,又能吸收紫外線,從而對紫外線有更強的阻隔能力。
二氧化鈦對紫外線的吸收機理可能是:納米二氧化鈦的電子結構是由價電子帶和空軌道形成的傳導帶構成的,當其受紫外線照射時,比其禁帶寬度(約為3.2eV)能量大的光線被吸收,使價帶的電子激發至導帶,結果使價電子帶缺少電子而發生空穴,形成容易移動且活性很強的電子空穴對。這樣的電子空穴對一方面可以在發生各種氧化還原反應時相互之間又重新結合,以熱量或產生熒光的形式釋放能量,另一方面可離解成在晶格中自由遷移到晶格表面或其它反應場所的自由空穴和自由電子,並立即被表面基團捕獲。通常情況下二氧化鈦會表面水活化產生表面羥基捕獲自由空穴,形成羥基自由基,而遊離的自由電子很快會與吸收態氧氣結合產生超氧自由基,因而還會將周圍的細菌與病毒殺死。可見,紫外線照射、表面水活化程度及吸氧率是二氧化鈦光活性的3個基本條件。正是由於納米二氧化鈦吸收紫外線後會產生自由基,從而會加速皮膚的老化,對皮膚造成危害。因此,在使用納米二氧化鈦作為防曬劑的時候,要從減弱或消除3個基本條件入手,以減弱或根本消除其光活性,從而降低其危害性。

二氧化鈦分級

編輯
Ⅰ類:二氧化鈦幹磨和未處理,Ⅰ類二氧化鈦具有低表面積和低吸油值。
Ⅱ類:為Ⅰ類二氧化鈦經過處理,並進行濕法研磨,去除大顆粒,並用4%量的硅-鋁包覆,它具有最低表面積和最低吸油值。
Ⅲ類:為典型的超細包覆級,並有有機包覆。
Ⅳ類:大包覆量,又可分為Ⅳa和Ⅳb,其包覆量在5~10%之間。Ⅳb主要應用添加量高的二氧化鈦中,因其不透明性優於Ⅳa。

二氧化鈦性能

編輯
金紅石型在高能(較短波長)吸收輻射能較鋭鈦型大,換句話説,對於金紅石型鈦白粉,在具有很強殺傷力的UV-波長段內(350-400nm),它對紫外線的反射率要遠遠低於鋭鈦型鈦白粉,在這種情況下,它對周圍的成膜物、樹脂等身上所要分擔的紫外光線就要少得多,那麼這些有機物的使用壽命就長,這就是金紅石型鈦白粉的耐候性比鋭鈦礦型好的原因。
性能
類型Ⅰ
類型Ⅱ
類型Ⅲ
類型Ⅳ
類型a b
TiO2%(最小)
97
93
92
91
82
密度/(g/cm³)
4.20
4.05
4.05
4.00
3.70
表面積/(m²/g)
6.6-7.7
12.0-12.8
11.0-18.0
17.7
28.8
吸油值/(g/100g二氧化鈦)
15
19
15-19
24
30
含水/(g/100g二氧化鈦)
40
30
30
35
55
包覆%(鋁/硅)
3.5
3.6
4.9
13.0
分散性
中等
中等
參考資料